Evaluation of the surface layer mikrostructure of high carbon alloy steel after laser modification

• Autorzy: Paczkowska M. , Kinal G. , Rewolińska A. , Wojciechowski Ł.

Warianty tytułu

PL

Ocena mikrostruktury warstwy wierzchniej wysokowęglowej stali stopowej po modyfikacji laserowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper refers to surface layer microstructure of high carbon steel strengthened by laser heat treatment. The aim of this research was to evaluate the influence of the laser heat treatment conditions on microstructure and hardness of the surface layer of high carbon alloy steel. Laser modification consist in alloying the surface layer with boron. Molecular CO2 continuous Triumph laser type 7/)Wwith 2,6 kW output power and TEM0,1 mode was used. Laser beam power density from 160 to 900 W/mm2 and laser beam velocity from 4,5 to 22,7 mm/s were applied during treatment. The research results allow to state, that boron average atomic concentration in the alloyed zone was 13% and did not exceed 20%. Nevertheless, it is enough for appearing the eutectic mixture (α+Fe2B). The alloyed zone was almost entirely homogenous and very fine-crystalline, especially near the surface. Areas with dendritic microstructure were found also. The thickness of the alloyed zone increased from 0,15 to 0,4 mm with increasing laser beam power density from 160 to 850 W/mm2 and decreased from 0,25 to 0,1 mm with increasing laser beam velocity from 4,5 to 22,7 mm/s. The average hardness of alloyed zone was in range of: 1100÷1600 HV 65. The average hardness of the hardened zone from the solid state did not exceed 1000 HV 65. The strengthen of alloyed (boronized) zone by the hardened zone from the solid state in the surface layer of high carbon alloy steel was observed to approx. 1 mm from surface. Existence of the hardened zone from the solid state after laser boronizing (as opposite to diffusion boronizing) should favor gentle changes of the internal stresses in the cross section of the surface layer of treated steel, which has a great importance in case of durability and reliability of the particular machine part.

PL

Artykuł dotyczy umocnionej za pomocą laserowej obróbki cieplnej mikrostruktury warstwy wierzchniej stali wysokowęglowej. Celem tych badań była ocena wpływu warunków laserowej obróbki cieplnej na mikrostrukturę i twardość warstwy wierzchniej wysokowęglowej stali stopowej. Modyfikacja laserowa polegała na stopowaniu warstwy wierzchniej borem. Do badań wykorzystano laser molekularny CO2 typ 7/)Wo maksymalnej mocy 2,6 kW i modzie TEM0,1. Podczas obróbki zastosowano gęstość mocy wiązki laserowej od 160 do 900 W/mm2 oraz prędkość jej posuwu od 4,5 do 22,7 mm/s. Wyniki badań pozwoliły stwierdzić, że średnia atomowa zawartość boru w strefie stopowanej wynosiła 13% (zawartość boru nie przekraczała 20%). Niemniej jednak, jest to wystarczająco dużo, aby powstała mieszanina eutektyczna (α+Fe2B). Strefa stopowana charakteryzowała się (prawie całkowicie) jednorodną mikrostrukturą i była bardzo drobnokrystaliczna, w szczególności przy powierzchni. Zaobserwowano również obszary z dendrytami. Grubość strefy stopowanej zwiększała się od 0,15 do 0,4 mm wraz ze wzrostem zastosowanej gęstości mocy wiązki laserowej od 160 do 850 W/mm2 oraz zmniejszała się od 0,25 do 0,1 mm wraz ze zwiększaniem prędkości wiązki laserowej od 4,5 do 22,7 mm/s. Średnia twardość strefy stopowanej była w zakresie od 1100 do 1600 HV 65. Średnia twardość strefy zahartowanej ze stanu stałego nie przekraczała 1000 HV 65. Umocnienie strefy stopowanej (borowanej) przez zahartowaną strefę ze stanu stałego w warstwy wierzchniej wysokowęglowej stali stopowe wnosiła ok. 1 mm od powierzchni. Obecność strefy zahartowanej ze stanu stałego po borowaniu laserowym (w przeciwieństwie do borowania dyfuzyjnego) sprzyjać powinna występowaniu łagodnych zmian naprężeń własnych na przekroju poprzecznym warstwy wierzchniej obrabianej stali, co szczególnie jest ważne w przypadku trwałości i niezawodności części maszyn.

Słowa kluczowe

EN

surface layer; microstructure; laser alloying

PL

warstwa wierzchnia; mikrostruktura; stopowanie laserowe

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Poznański Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, nr 1
• Strony: 61--65
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Paczkowska M.

• Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Poland

autor

Kinal G.

• Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Poland

autor

Rewolińska A.

• Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Poland

autor

Wojciechowski Ł.

• Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Poland

Bibliografia

• [1] Dudziak B., Gościański M.: Wpływ wybranych parametrów laserowego napawania proszku, stopów metali na stal typu C45 w aspekcie zmian twardości napoiny. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2012, 57(1), 29.
• [2] Kośmicki Z., Kęska W., Feder S.: Automatyzacja procesów roboczych maszyn rolniczych. Prace PIMR, 2000, 45, 1, 61.
• [3] Paczkowska M.: Własności warstw powierzchniowych borowanych laserowo i dyfuzyjnie tworzonych na elementach maszyn. Journal of Research and Application in Agricultural Engineering, 2004, 49 (3), 43-47.
• [4] Pertek-Owsiana A.: Kształtowanie struktury i właściwości warstw borków żelaza otrzymywanych w procesie borowania gazowego. WPP Rozprawy, 2001, 365.
• [5] Przybyłowicz K.: Teoria i praktyka borowania stali. WPŚ, 2000.
• [6] Waligóra W.: Badania nad możliwością podwyższania trwałości zmęczeniowej elementów maszyn ze stali łożyskowej poprzez wprowadzanie boru w ich strefy przypowierzchniowe podczas obróbki laserowej. Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych PP. Projekt badawczy nr 7 S101 009 04.
• [7] Waligóra W.: Zastosowanie spektroskopii elektronów Augera do badań efektów borowania laserowego stali łożyskowej. II Konferencja „Obróbka powierzchniowa”, Kule, 1993, 174177.
• [8] Waligóra. W.: Odporność na zmęczenie powierzchniowe stali łożyskowej poddanej obróbce laserowej. Rozprawy, Politechnika Poznańska, 302, 1994.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.